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JP2018521050A - 炭化水素供給原料の転換方法 - Google Patents

炭化水素供給原料の転換方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、飽和炭化水素化合物を含む炭化水素供給原料をオレフィン生成物に転換するためのプロセスであって、炭化水素供給原料流を、金属M1、金属M2、金属M3及び金属M4を含む式M1M2M3M4Oの酸化物形態での触媒と接触させることを含み、M1が、Si、Al、Zr及びそれらの混合物から選択され、M2が、Pt、Cr及びそれらの混合物から選択され、M3が、W、Mo、Re及びそれらの混合物から選択され、かつ、M4が、Sn、K、Y、Yb及びそれらの混合物から選択され、M1の質量分率が0.1〜0.8の範囲にあり、M2の質量分率が0.001〜0.2の範囲にあり、M3の質量分率が0.001〜0.2の範囲にあり、M4の質量分率が0.0001〜0.2の範囲にあり、かつ、酸素の質量分率が0.1〜0.8の範囲にある、プロセスに関する。

Description

本発明は、飽和炭化水素化合物を含む炭化水素供給原料をオレフィン生成物に転換するためのプロセスに関する。
オレフィン、とりわけ、エチレン及びプロピレンを含む軽質オレフィンは、価値のある炭化水素生成物である。それらは、エチレンオキシド、プロピレンオキシド、エチルベンゼン、アセトン、フェノール、ポリエチレン、ポリプロピレン、他のポリマー及び他の石油化学製品を含めて多種多様な最終生成物を調製するために有用である。それらの価格が時とともに変動したとしても、産業界におけるそれらの需要は依然として伸び続けている。
産業上の要求を満たすために、多くの方法が、オレフィンを製造するために使用されてきた。しかしながら、典型的には、オレフィンをより低い価値の原料(例えば、パラフィンなど)から製造することが経済的にはより魅力的である。パラフィンをオレフィンに転換するための従来法が熱分解である。これは非常にエネルギー集約的な方法であり、生成物選択性は、調節及び制御が困難である。接触分解が、後に開発された方法である。適切な触媒材料を用いた場合、一般にはゼオライト系材料を用いた場合、炭化水素クラッキングを、それほど過酷でない操作条件で生じさせることができる。
接触分解に関する改善がいくつか研究され、開示されている。例えば、米国特許第8933286号では、ニッケルにより修飾されるゼオライト触媒を使用する接触分解プロセスが開示された。このプロセスは、より温和な操作条件で操作することができる。しかしながら、メタン及びC5以上の炭化水素を含む著しい量の副生成物を認めることができ、また、触媒の安定性に関しては何ら示されていなかった。
米国特許第8198498号では、炭化水素クラッキングプロセスにおいて使用するための、金属酸化物により被覆されたカーボンナノチューブ触媒が開示された。このプロセスは依然として非常にエネルギー集約的である。これは、このプロセスが、望ましいオレフィン生成物の改善された収率を達成するためには、かなり高い温度で、かつ、好ましくは蒸気を供給原料流に加えながら実施されなければならないからである。
米国特許第8,933,286号 米国特許第8,198,498号
したがって、先行技術の難点を克服する炭化水素転換プロセスを提供することが、本発明の目的である。具体的には、飽和炭化水素化合物を含む炭化水素供給原料をオレフィン生成物に転換することを可能にする、すなわち、飽和度がより低い炭化水素生成物に転換することを可能にするプロセスが提供される。上記転換を温和な条件で可能にする、具体的には比較的低い温度で可能にするプロセスを提供することが、さらなる目的である。そのうえ、大きい選択性を伴う、すなわち、望まれない副生成物(例えば、メタン又は5個以上の炭素原子を有する炭化水素など)を避けることにより大きい選択性を伴うオレフィンの転換を可能にするプロセスを提供することが、目的である。
本発明は、飽和炭化水素化合物を含む炭化水素供給原料をオレフィン生成物に転換するためのプロセスであって、炭化水素供給原料流を、金属M1、金属M2、金属M3及び金属M4を含む酸化物形態での触媒と接触させることを含み、
M1が、Si、Al、Zr及びそれらの混合物から選択され、
M2が、Pt、Cr及びそれらの混合物から選択され、
M3が、W、Mo、Re及びそれらの混合物から選択され、かつ
M4が、Sn、K、Y、Yb及びそれらの混合物から選択され、
M1の質量分率が0.1〜0.8の範囲にあり、
M2の質量分率が0.001〜0.2の範囲にあり、
M3の質量分率が0.001〜0.2の範囲にあり、
M4の質量分率が0.0001〜0.2の範囲にあり、かつ
酸素の質量分率が0.1〜0.8の範囲にある
プロセスを、上記問題の解決策として提供する。
本発明のプロセスでは、本発明の触媒が、炭化水素供給原料を、大きい選択性を伴って、かつ比較的温和な条件でオレフィン生成物に転換するために使用される。
1つの実施形態において、本発明による炭化水素転換プロセスは、炭化水素転換用の触媒を用いるプロセスであって、前記触媒が、
Si、Al、Zr及びそれらの混合物から選択されるM1、
Pt、Cr及びそれらの混合物から選択されるM2、好ましくは、PtであるM2、
W、Mo、Re及びそれらの混合物から選択されるM3、好ましくは、WであるM3、
Sn、K、Y、Yb及びそれらの混合物から選択されるM4、並びに
酸素
を含み、
M1の質量分率が0.1〜0.8の範囲にあり、好ましくは0.2〜0.6の範囲にあり、
M2の質量分率が0.001〜0.2の範囲にあり、好ましくは0.0015〜0.15の範囲にあり、より好ましくは0.005〜0.1の範囲にあり、
M3の質量分率が0.001〜0.2の範囲にあり、好ましくは0.005〜0.15の範囲にあり、より好ましくは0.01〜0.1の範囲にあり、
M4の質量分率が0.0001〜0.2の範囲にあり、好ましくは0.00015〜0.03の範囲にあり、より好ましくは0.005〜0.02の範囲であり、かつ
酸素の質量分率が0.1〜0.8の範囲にあり、好ましくは0.2〜0.5の範囲にある
多金属組成物である、プロセスである。
これに関連して、この関連での用語「質量分率」は、上記で定義される触媒の総質量(重量)に言及することが規定され得る。
1つの実施形態において、触媒は式M1M2M3M4Oを有する。
別の実施形態において、触媒はさらにM5を含み(すなわち、式M1M2M3M4M5Oの触媒)、但し、この場合、M5は、Mg、Ca、Mn、Fe、Co、Ni、Cu及びそれらの混合物から選択され、好ましくは、Mg、Ca及びそれらの混合物から選択され、
M5の質量分率が0.005〜0.1の範囲にあり、好ましくは0.01〜0.09の範囲にある。
好ましい金属に関連する、又は、それぞれの成分の具体的な量が触媒に含まれることを示す上記の好ましい実施形態のそれぞれにより、より良好な触媒を達成すること、すなわち、改善された選択性を示し、かつ、より低い温度で操作可能である触媒を達成することが可能となる。上記の好ましい実施形態のそれぞれが単独で、触媒を改善するために好適である。しかしながら、上記の好ましい金属又はその好ましい量の1つ又はそれ以上の組合せにより、触媒が相乗的に改善される場合がある。
本発明による触媒は、所望の多金属組成物を得るために、元素M1〜元素M5のすべての前駆体を一緒に混合し、その後、好適な熱処理を行うことによって調製することができる。元素前駆体は、最終的な触媒における元素の所望の形態(好ましくは酸化物)に、好適な熱処理によって転換することができる、所望の元素を含有する出発化合物である。例えば、M1〜M5に対する前駆体には、当該元素の酸化物、ハロゲン化物、アルコキシド、硝酸塩、炭酸塩、ギ酸塩、シュウ酸塩、アミン又は水酸化物が含まれる場合がある。
元素前駆体の混合を乾式形態又は湿式形態で行うことができる。元素前駆体が乾式形態で混合されるとき、元素前駆体は好都合には、粉末形態で提供される場合がある。元素前駆体の粉末は、ブレンダーにおける物理的な混合によって容易に混合することができる。元素前駆体の混合物はその後、最終的な炭化水素転換触媒を得るための好適な熱処理(好ましくは焼成)に供される。元素前駆体が湿式形態で混合されるとき、元素前駆体は溶液形態及び/又は懸濁物形態で提供される場合がある。元素前駆体の溶液及び/又は懸濁物の混合物はその後、溶媒を除去するために乾燥される。続いて、乾燥させた混合物は、最終的な触媒を得るための好適な熱処理(好ましくは焼成)に供される。代替において、元素前駆体のいくつかが乾燥形態で提供され、元素前駆体のいくつかが湿潤形態で提供される。乾燥状態の元素前駆体と、湿潤状態の元素前駆体とを、含浸、インシピエント・ウエットネス(incipient wetness)、イオン交換又は当分野では公知である他の方法を含む従来の方法によって組み合わせることができる。得られた混合物はその後、最終的な触媒を得るための好適な熱処理(好ましくは焼成)に供される。好適な熱処理では、元素前駆体の少なくとも一部を除くこと、及び/又は、元素前駆体の少なくとも一部を最終的な触媒における対応する元素の所望の形態に転換することが可能である選択された雰囲気及び選択された温度が伴う。元素は最終的な触媒において酸化物形態であることが特に好ましい。選択された雰囲気には、酸化性雰囲気、還元性雰囲気及び不活性雰囲気が含まれる場合がある。好ましい実施形態において、調製された触媒粉末は、300℃〜800℃の範囲の温度における1時間〜24時間の空気中での焼成に供され、一層より好ましくは400℃〜600℃の範囲の温度における2時間〜10時間の空気中での焼成に供される。
別の実施形態において、本発明による触媒の調製はさらに、触媒粉末を商用反応装置に好適な形状に成形することを伴う場合がある。商用反応装置に好適な形状には、ペレット、押出物及び球状物などが含まれる場合がある。十分なバインダー材料がさらに、触媒の成形を容易にするために触媒組成物に加えられる場合がある。触媒を特定の形状で提供することにより、そのより容易な使用が可能となる。
オレフィン生成物を達成するために、炭化水素供給原料流はパラフィン系炭化水素を含むことが好都合である。好ましい実施形態において、炭化水素供給原料流は、2個〜5個の炭素原子を有するパラフィンを含む。より具体的な実施形態において、炭化水素供給原料流は、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン及びそれらの混合物から選択されるパラフィンを含み、好ましくは、プロパン、ブタン及びそれらの混合物から選択されるパラフィンを含む。
炭化水素転換プロセスは、幅広い範囲の操作条件において操作することができる。しかしながら、いくつかの特定の範囲の操作条件により、高いオレフィン生成選択性がもたらされることが可能である。1つの実施形態において、本プロセスは200℃〜700℃の範囲の温度で実施され、好ましくは300℃〜600℃の範囲の温度で実施され、一層より好ましくは350℃〜550℃の範囲の温度で実施される。本発明のプロセスにおいて使用される触媒は、本発明の炭化水素転換プロセスを、当分野では公知であるプロセスに関して比較的低い前述の好ましい温度で稼働させることを可能にする。別の実施形態において、本プロセスは0.01バール(ゲージ圧)〜10バール(ゲージ圧)の範囲の圧力で実施され、好ましくは0.05バール(ゲージ圧)〜5バール(ゲージ圧)の範囲の圧力で実施される。オレフィン生成物の望ましい収率を得るために必要とされる接触時間は、いくつかの要因に、例えば、操作温度、操作圧力及び触媒活性などに依存する。1つの実施形態において、本プロセスは0.01hr−1〜20hr−1の範囲の毎時重量空間速度(WHSV)で実施され、好ましくは0.05hr−1〜5hr−1の範囲の毎時重量空間速度で実施される。本プロセスはバッチ様式又は連続様式で行うことができる。商用規模のためには、本プロセスは連続操作されることが好都合である。連続操作を、固定床、流動床又は当分野では公知である他の技術を用いて行うことができる;固定床が典型的には好ましい。
炭化水素供給原料流と接触させる前に、触媒は必要な場合には前処理される場合がある。前処理条件には、触媒を不活性ガス、酸化性ガス、還元性ガス、炭化水素(好ましくはC2〜C6脂肪族炭化水素)、及び、どのような混合物であれ、それらの混合物と接触させることが含まれる場合がある。前処理は、それぞれの工程が異なる条件及び雰囲気を用い得るいくつかの工程に分けられる場合がある。前処理が、加熱された温度で、好ましくは200℃〜700℃で、より好ましくは300℃〜600℃で、一層より好ましくは350℃〜550℃で行われることが、一般に好ましい。
操作条件における炭化水素供給原料流との接触の後では、いくつかの毒性物質、重質炭化水素及びコークスが触媒の表面に堆積する場合がある。このことは通常、時間とともに徐々に低下するように触媒の活性に影響を及ぼす。好適な再生を使用された触媒に対して行い、その活性の少なくとも一部を回復させることができる。1つの実施形態において、炭化水素転換プロセスは再生工程を含み、但し、この場合、再生工程は、炭化水素転換触媒を高温で酸化剤と接触させることを含む。再生工程は、触媒の過熱及び構造の破壊を避けるために慎重に制御されなければならない。1つの実施形態において、再生工程が200℃〜700℃の範囲の温度で実施され、好ましくは300℃〜600℃の範囲の温度で実施される。他の公知の再生技術を制限なく用いることができる。
本発明による炭化水素転換プロセスは、軽質パラフィン供給原料を、大きい選択性を伴って軽質オレフィン生成物(とりわけ、エチレン及びプロピレン)に転換することができる。著しく少ない量の、それほど価値がない副生成物(例えば、メタン及びより重質の炭化水素など)が生じる。
本発明の様々な実施形態及び利点がさらに、下記の実施例によって例示される。
実施例1(比較例)
0.95質量分率のSi及び0.05質量分率のAlを含有するゼオライト触媒を、475℃、1バール(ゲージ圧)及び0.12h−1のWHSVでプロパンと接触させた。3時間及び8時間の運転時におけるこの反応の結果が表1に示される。
実施例2(比較例)
0.5質量分率のAl、0.45質量分率のO及び0.05質量分率のPtを含有する触媒を、475℃、1バール(ゲージ圧)及び0.12h−1のWHSVでプロパンと接触させた。3時間及び8時間の運転時におけるこの反応の結果が表1に示される。
実施例3(比較例)
0.245質量分率のSi、0.215質量分率のAl、0.045質量分率のW、0.475質量分率のO及び0.02質量分率のPtを含有する触媒を、475℃、1バール(ゲージ圧)及び0.12h−1のWHSVでプロパンと接触させた。3時間及び8時間の運転時におけるこの反応の結果が表1に示される。
実施例4(本発明)
0.26質量分率のSi、0.21質量分率のAl、0.045質量分率のW、0.455質量分率のO、0.02質量分率のPt及び0.01質量分率のKを含有する触媒を、475℃、1バール(ゲージ圧)及び0.12h−1のWHSVでプロパンと接触させた。3時間及び8時間の運転時におけるこの反応の結果が表1に示される。
実施例5(本発明)
0.26質量分率のSi、0.21質量分率のAl、0.045質量分率のW、0.455質量分率のO、0.02質量分率のPt及び0.01質量分率のSnを含有する触媒を、475℃、1バール(ゲージ圧)及び0.12h−1のWHSVでプロパンと接触させた。3時間及び8時間の運転時におけるこの反応の結果が表1に示される。
実施例6(本発明)
0.306質量分率のSi、0.012質量分率のAl、0.031質量分率のMg、0.044質量分率のW、0.387質量分率のO、0.189質量分率のZr、0.02質量分率のPt及び0.011質量分率のYを含有する触媒を、475℃、1バール(ゲージ圧)及び0.12h−1のWHSVでプロパンと接触させた。3時間及び8時間の運転時におけるこの反応の結果が表1に示される。
実施例7(本発明)
0.248質量分率のSi、0.213質量分率のAl、0.031質量分率のMg、0.044質量分率のW、0.433質量分率のO、0.02質量分率のPt及び0.011質量分率のKを含有する触媒を、475℃、1バール(ゲージ圧)及び0.12h−1のWHSVでプロパンと接触させた。3時間及び8時間の運転時におけるこの反応の結果が表1に示される。
総オレフィンの選択性を、エチレン、プロピレン及びブテンを含むオレフィン生成物の選択性から計算した。
本発明の触媒を使用するプロセスは、総オレフィン生成物のより大きい選択性と、メタン及びより重質の炭化水素のより少ない生成とをもたらすことを認めることができる。
前述の説明及び特許請求の範囲において開示される特徴は、別々に又はどのような組合せであっても両方で、本発明をその種々の形態で実現するために必須であるかもしれない。

Claims (15)

  1. 飽和炭化水素化合物を含む炭化水素供給原料をオレフィン生成物に転換するためのプロセスであって、炭化水素供給原料流を、金属M1、金属M2、金属M3及び金属M4を含む酸化物形態での触媒と接触させることを含み、
    M1が、Si、Al、Zr及びそれらの混合物から選択され、
    M2が、Pt、Cr及びそれらの混合物から選択され、
    M3が、W、Mo、Re及びそれらの混合物から選択され、かつ
    M4が、Sn、K、Y、Yb及びそれらの混合物から選択され、
    M1の質量分率が0.1〜0.8の範囲にあり、
    M2の質量分率が0.001〜0.2の範囲にあり、
    M3の質量分率が0.001〜0.2の範囲にあり、
    M4の質量分率が0.0001〜0.2の範囲にあり、かつ
    酸素の質量分率が0.1〜0.8の範囲にある
    プロセス。
  2. 200℃〜700℃の範囲の温度で実施される、請求項1に記載のプロセス。
  3. 300℃〜600℃の範囲の温度で実施される、請求項1又は2に記載のプロセス。
  4. M2がPtである、請求項1から3のいずれかに記載のプロセス。
  5. M3がWである、請求項1から4のいずれかに記載のプロセス。
  6. M1の前記質量分率が0.2〜0.6の範囲にある、請求項1から5のいずれかに記載のプロセス。
  7. M2の前記質量分率が0.0015〜0.15の範囲にある、請求項1から6のいずれかに記載のプロセス。
  8. M3の前記質量分率が0.005〜0.15の範囲にある、請求項1から7のいずれかに記載のプロセス。
  9. M4の前記質量分率が0.00015〜0.03の範囲にある、請求項1から8のいずれかに記載のプロセス。
  10. 酸素の前記質量分率が0.2〜0.5の範囲にある、請求項1から9のいずれかに記載のプロセス。
  11. 前記触媒が、Mg、Ca、Mn、Fe、Co、Ni、Cu及びこれらの混合物から選択されるM5をさらに含む、請求項1から10のいずれかに記載のプロセス。
  12. M5の質量分率が0.005〜0.1の範囲にある、請求項11に記載のプロセス。
  13. M5の前記質量分率が0.01〜0.09の範囲にある、請求項11又は12に記載のプロセス。
  14. 前記炭化水素供給原料流が、2個〜5個の炭素原子を有する少なくとも1つのパラフィンを含む、請求項1から13のいずれかに記載のプロセス。
  15. 前記炭化水素供給原料流が、プロパン、ブタン及びそれらの混合物から選択される少なくとも1つのパラフィンを含む、請求項1から14のいずれかに記載のプロセス。
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